Odkrycie białka zielonej fluorescencji (GFP) i jego wariantów spektralnych, a także równoległy rozwój mikroskopii fluorescencyjnej, otworzyły zupełnie nowe możliwości badania zachowania białek w komórkach. Techniki takie jak odzyskiwanie fluorescencji po fotowybielaniu (FRAP) i utrata fluorescencji w fotowybielaniu (FLIP), które są możliwe dzięki wewnętrznej zdolności fluoroforów do gaszenia ich fluorescencji pod intensywnym oświetleniem, opierają się na konfokalnym obrazowaniu żywych komórek i zastosowaniu transfekowanych fluorescencyjnych białek fuzyjnych1-3. Są one szeroko stosowane do oceny nie tylko lokalizacji białek, ale także ich ruchliwości i transportu pęcherzykowego, co może ujawnić ważne wskazówki dotyczące ich funkcji4.
Unikalną cechą komórek eukariotycznych jest obecność wewnątrzkomórkowych kompartmentów, które mają specyficzny skład lipidów i białek. Chociaż organelle są fizycznie izolowane, muszą komunikować się ze sobą i dzielić składniki molekularne, aby utrzymać homeostazę komórkową. Szlak wydzielniczy gwarantuje, że białka i lipidy zsyntetyzowane w ER docierają do właściwego miejsca docelowego, w którym pełnią swoją funkcję. Organelle wewnątrzkomórkowe mogą być również połączone dynamicznymi miejscami kontaktu, które umożliwiają bezpośrednią wymianę cząsteczek (lipidów) między przedziałami. Co więcej, wiele białek musi składać się w duże kompleksy heteromeryczne lub wiązać się z określonymi gatunkami lipidów (tratwy lipidowe/mikrodomeny), aby stać się funkcjonalnie aktywnymi lub zostać przetransportowanymi do miejsca docelowego. Wszystkie te aspekty biologiczne mają ogromny wpływ na właściwości kinetyczne białek i dlatego mogą być odpowiednio badane za pomocą technik opisanych poniżej.
Nasza grupa szeroko korzystała z FRAP i FLIP w połączeniu z mikroskopią elektronową w celu zbadania architektury ER i jego różnych poddomen. Ostry dyżur jest pierwszą stacją szlaku wydzielniczego i odgrywa kluczową rolę w sortowaniu białek i lipidów5. Jest to wysoce dynamiczna organella, której odrębne subdomeny odzwierciedlają jej wiele różnych funkcji (tj. biosyntezę i transport białek i lipidów, fałdowanie białek, magazynowanie i uwalnianie Ca2+ oraz metabolizm ksenobiotyków). Jednakże, chociaż są one morfologicznie, przestrzennie i funkcjonalnie różne, domeny te są ze sobą ciągłe, a ich względna obfitość może być modyfikowana w komórkach w warunkach fizjologicznych i patologicznych. Najbardziej znanymi i zwykle przestrzennie oddzielonymi domenami ER są otoczka jądrowa oraz gładka i szorstka ER; jednak my i inni wykazaliśmy, że w różnych typach komórek i tkankach w warunkach fizjologicznych istnieją struktury ER o bardziej skomplikowanej architekturze i trójwymiarowej organizacji, które mogą być również indukowane za pomocą stresujących bodźców, takich jak niedotlenienie, podawanie leków lub nadmierna ekspresja białek transbłonowychrezydujących w ER 2,6 (i odniesienia w nich).
Ostatnio wykazaliśmy również obecność takich struktur w modelach komórkowych chorób ludzkich1,7. Pochodzące z ułożonych cystern gładkiego ER, otrzymały zbiorczą nazwę zorganizowanej gładkiej retikulum endoplazmatycznego (OSER) w 2003roku 6, chociaż są również znane jako karmellae, blaszki i krystaloidy ER na podstawie ich architektury, która, podobnie jak ich rozmiar, może się różnić. Po transfekcji komórek GFP połączonym z regionem cytozolowym białek rezydujących w ogonie (TA) ER (dEGFP-ER), słabo dimeryzująca tendencja GFP w trans dramatycznie zmienia organizację i strukturę ER. Eksperymenty FRAP i FLIP wykazały, że dEGFP-ER może swobodnie dyfundować w obrębie OSER, a fakt, że przemieszcza się z siatkowatego ER do OSER i odwrotnie wskazuje, że agregaty są ciągłe z otaczającym je siatkowatym ER. Analiza ultrastrukturalna pozwoliła nam skorelować dane fluorescencyjne ze szczegółowym opisem architektury i organizacji OSER na poziomie nanoskali: OSER zawsze składają się ze stosów sparowanych cystern gładkiego ER, ale mogą mieć różne formy organizacji przestrzennej, takie jak regularnie ułożone sinusoidalne układy lub okółki, lub sześciokątne "krystaloidalne" układy rurowe. Te przegrupowania prowadzą do morfologii sześciennej8 , które, ponieważ zostały znalezione w komórkach w warunkach fizjologicznych9 i po stresach, takich jak niedotlenienie10, leczenie farmakologiczne11 i rak9 , mogą mieć znaczny potencjał jako markery ultrastrukturalne.
Po tej pierwszej demonstracji z użyciem białek fuzyjnych GFP, użyliśmy eksperymentów obrazowych do analizy proliferacji domen ER w odpowiedzi na leczenie farmakologiczne12, oceny tendencji białek fluorescencyjnych do oligomeryzacji w komórkach13 oraz do zbadania roli zmutowanego, połączonego z ALS białka TA w tworzeniu wewnątrzkomórkowych agregatów pochodzenia ER, które mogą być istotne dla jego patogenności1,8. Sugeruje się, że tworzenie agregatów wewnątrzkomórkowych (co występuje w wielu chorobach neurodegeneracyjnych14) może być mechanizmem ochronnym zaprojektowanym w celu zapobiegania interakcjom między toksycznymi zmutowanymi białkami a otaczającymi składnikami komórkowymi15.
Poniżej znajduje się opis kombinacji metod mikroskopii optycznej i elektronowej do badania konstrukcji, których C-końcowe domeny hydrofobowe są wstawiane do błony ER, oraz analiza ich dynamicznego zachowania i wpływu ich nadmiernej ekspresji na architekturę domeny ER w hodowanych komórkach (zobacz Rysunek 1 dla schematu blokowego protokołu eksperymentalnego).